Устройство для защиты от перенапряжений

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при изготовлении устройств для защиты от перенапряжений с фарфоровыми покрышками. Техническим результатом является оптимизация конструктивных параметров покрышки за счет учета масштабного эффекта. Устройство для защиты от перенапряжений содержит цилиндрическую фарфоровую покрышку с фланцами на концах и размещенные внутри покрышки варисторы. Внутренний диаметр покрышки соответствует математическому выражению. 2 табл., 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при изготовлении устройств для защиты от перенапряжений с фарфоровыми покрышками.

Известно устройство для защиты от перенапряжений, содержащее цилиндрическую фарфоровую покрышку в качестве корпуса с фланцами на концах и размещенные внутри нее варисторы [1]. Одной из характеристик устройства, влияющей на его эксплуатационную надежность, является механическая прочность конструкции. Эта характеристика имеет большое значение для устройств более высокого номинального напряжения, так как при его повышении увеличивается высота устройства, что приводит к увеличению механических нагрузок на устройство. Конструктивными параметрами являются наружный и внутренний диаметры фарфоровой покрышки, которая выполняет роль корпуса устройства.

Недостатком устройства является то, что диаметры фарфоровой покрышки определяются по известной формуле без учета масштабного эффекта прочности и поэтому значения диаметров не являются оптимальными.

Известно устройство для зашиты от перенапряжений, содержащее цилиндрическую фарфоровую покрышку с ребрами, внутри которой размещены варисторы, на концах установлены фланцы [2], принятое за прототип. Конструктивными параметрами корпуса, роль которого выполняет фарфоровая покрышка, являются его наружный и внутренний диаметры, призванные выдерживать заданную нагрузку, которая возникает благодаря воздействию ветра и тяжения провода и которая вызывает деформацию изгиба.

При механическом расчете цилиндрической фарфоровой покрышки, определение ее конструктивных параметров (внутреннего и наружного диаметров) производится по известной формуле: которая также представима и используется в эквивалентных формах: (D⁴₂-D⁴₁)/D₂ = 32PH/π[σ_изг]; (2) σ_изг = 32PHD₂/π(D⁴₂-D⁴₁), (3) где Р - сила, эквивалентная воздействующей изгибающей нормированной нагрузке, Н; Н - плечо действия силы Р, м; [σ_изг] - предел прочности фарфора на изгиб, Па.

Однако при оценке диаметров покрышки по формулам (1) и (2) предполагается, что величина предела прочности является постоянной известной величиной. При этом не учитывается масштабный эффект прочности, который показывает влияние дефектов, находящихся в теле покрышки.

Таким образом, недостатком устройства является то, что диаметры фарфоровой покрышки определяются по известной формуле без учета масштабного эффекта прочности и поэтому значения диаметров не являются оптимальными.

Целью изобретения является оптимизация конструктивных параметров покрышки за счет учета масштабного эффекта.

Поставленная цель достигается за счет того, что в устройстве для зашиты от перенапряжений, содержащем цилиндрическую фарфоровую покрышку с фланцами на концах и с размещенными внутри покрышки варисторами, в соответствии с изобретением, внутренний диаметр покрышки соответствует выражению: где D₂ - наружный диаметр покрышки, м;
Р - сила, эквивалентная воздействующей изгибающей нагрузке, Н;
H - плечо действия силы Р, м;
k₁=69,7÷123,5;
k₂=1,79÷1,88.

Суть изобретения заключается в следующем. Статистическая теория масштабного эффекта прочности основана на принципе, по которому прочность изделия определяется прочностью самого слабого места - дефекта.

Исследования механической прочности на изгиб большого числа покрышек различных диаметров, изготовленных из электротехнического фарфора, свидетельствуют о том, что имеется четкая зависимость предела прочности [σ_изг] от диаметра. В частности, с увеличением наружного диаметра D₂ образца при постоянной высоте [σ_изг] уменьшается, что изображено на фиг.2 для определенного вида электротехнического фарфора.

Математическая обработка данных этих испытаний образцов различного диаметра на прочность позволяет предложить следующую формулу зависимости предела прочности на изгиб от наружного D₂ и внутреннего D₁ диаметров фарфоровой покрышки:
[σ_изг] = k₁D₂ ^k (D₂ ² +D₁ ²)^-1, (4)
где коэффициенты k₁ и k₂ получены при помощи метода наименьших квадратов.

Значения коэффициентов k₁ и k₂ для применяемого электротехнического фарфора в зависимости от технологического ограничения на минимальную толщину стенки фарфоровой покрышки s приведены в табл.1
При проведении математической обработки были рассмотрены несколько вариантов формул зависимости предела прочности от диаметров. Расчеты показали, что использование формулы (4) в качестве аппроксимации наилучшим образом объясняет экспериментальные данные, поскольку дает наиболее высокое значение коэффициента детерминации (R²).

Подставляя выражение (4) в формулу (1) и произведя некоторые преобразования, получаем окончательное выражение для определения D₁ фарфоровой покрышки с учетом масштабного эффекта:

На фиг.1 изображен общий вид устройства для защиты от перенапряжений.

На фиг.2 изображена зависимость прочности на изгиб от наружного диаметра фарфоровой покрышки.

Устройство для защиты от перенапряжений содержит цилиндрическую фарфоровую покрышку 1 с ребрами, внутри которой размещена колонка варистров 2. На концах покрышки 1 закреплены металлические фланцы 3. Внутренний диаметр покрышки 1 соответствует выражению:

где D₂ - наружный диаметр покрышки, м;
Р - сила, эквивалентная воздействующей изгибающей нагрузке, Н;
Н - плечо действия силы Р, м;
k₁=69,7÷123,5;
k₂=1,79÷1,88.

Устройство для защиты от перенапряжений работает следующим образом. В нормальном эксплуатационном режиме на устройство воздействует рабочее напряжение сети. При возникновении перенапряжений в сети устройство их ограничивает до заданной величины в соответствии с вольт-амперной характеристикой варисторов 2 аппарата.

В таблице 2 приведены данные расчетов наружного диаметра покрышки D₂ и соответствующей механической прочности для двух вариантов покрышки, которые демонстрируют необходимость учета масштабного фактора (Р=3400 Н; k₁=82,4; k₂=1,85; Н=1000 мм).

Полученный результат имеет ясную геометрическую трактовку, показанную на фиг.2.

На фиг.2 приведена зависимость прочности на изгиб консольно закрепленной покрышки от ее наружного диаметра, вычисляемая по формуле:
σ_изг = 32PHD₂/π(D⁴₂-D⁴₁),
где принято D₁=D₂-2h, h=const - минимально допустимая толщина покрышки, определяемая технологией изготовления.

Пересечение этой кривой с аппроксимирующей кривой для предела прочности, построенной по формуле (4), позволяет найти требуемое значение наружного диаметра покрышки D₂, выбираемого для опасного сечения. Это значение на фиг. 2 обозначено D₂* и получено с учетом масштабного эффекта.

В исходном варианте расчета (существующем прототипе) диаметр D₂ покрышки выбирается без учета масштабного эффекта в предположении, что [σ_изг]=const.

В частности, если [σ₁]=const, то получено решение D₂₁<D*, при котором σ_изг = 32PHD₂/π(D⁴₂-D⁴₁)>[σ_изг(D₂₁)], т. е. данная покрышка не выдерживает условия прочности на изгиб. Если [σ₁]=const, то решение D₂₂>D₂*, обеспечивает условие прочности на изгиб с избытком, но излишнее увеличение диаметра D₂ приводит к неоправданному увеличению веса фарфоровой покрышки.

Таким образом, правильный выбор диаметра фарфоровой покрышки устройства для защиты от перенапряжений, учитывающий масштабный эффект прочности, повышает его механическую прочность и надежность и в тех случаях, когда устройство спроектировано с избытком прочности, снижает вес изделия.

Источники информации
1. Адоньев Н. М. и др. Справочник по электрическим аппаратам высокого напряжения. - Л.: Энергоатомиздат, 1987, с. 199.

2. SU a.c. 947917, Н 01 C 1/028, 25.01.78 (прототип).

Формула изобретения

Устройство для защиты от перенапряжений, содержащее цилиндрическую фарфоровую покрышку с фланцами на концах и с размещенными внутри покрышки варисторами, отличающееся тем, что внутренний диаметр покрышки соответствует выражению

где D₂ - наружный диаметр покрышки, м;
Р - сила, эквивалентная воздействующей изгибающей нагрузке, Н;
Н - плечо действия силы Р, м;
k₁=69,7÷123,5;
k₂=1,79÷1,88.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4